PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在寧海電廠中應(yīng)用

1、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在寧海電廠中應(yīng)用發(fā)表時(shí)間:2005-7-12一、引言 進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代以后，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCSFieldbus Control System)走向?qū)嵱没?，目前已成為自?dòng)化技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著電力建設(shè)的迅速開(kāi)展，以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和產(chǎn)品的成熟，在新建和改造電站工程中引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的呼聲越來(lái)越高。經(jīng)過(guò)數(shù)年的爭(zhēng)論和實(shí)踐，當(dāng)初“DCS必然被現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)完全代替而消亡”的斷論，逐漸被一種更理性和寬容的觀點(diǎn)所補(bǔ)正，現(xiàn)在一般認(rèn)為：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)并不能在所有的地方都能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，尤其是在發(fā)電廠這樣一些測(cè)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)裝置密集、控制邏輯復(fù)雜的領(lǐng)域，一段時(shí)間內(nèi)將存在

2、著傳統(tǒng)DCS、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線等多種技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用局面。但是，推廣應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)火電廠全面數(shù)字化的關(guān)鍵一步，國(guó)內(nèi)外已有一些電廠進(jìn)行了應(yīng)用。本文以浙江國(guó)華寧海電廠一期工程為例，介紹現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)產(chǎn)600MW機(jī)組上的應(yīng)用嘗試。二、PROFIBUS及在電廠的應(yīng)用2.1 PROFIBUS總線技術(shù) PROFIBUS是德國(guó)于90年代初制訂的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)DTN19245，目前是IEC 61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的Type3部分。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以ISO的OSI七層參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)第三層到第六層進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在TEC61158中Type3的第一部

3、分定義了PROFIBUS的物量層和鏈路層協(xié)議，物理接口采用EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€性總線兩端加終端電阻，采用sub-D9 芯網(wǎng)絡(luò)接口插頭。在鏈路層采用混合介質(zhì)存取方式，主站間按令牌環(huán)方式，主站和從站間按主從方式工作。主從站最多127個(gè)，每段最多32站，段間采用中繼器連接，最大傳輸距離1200m。 根據(jù)總線結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)任務(wù)的不同，PROFIBUS系列分為PROFIBUSDP、PROFIBUSPA 、PROFIBUSFMS三個(gè)兼容部分。分別在IEC61158中Type3的第二、第三、第四部分進(jìn)行定義。其中第二部分定義了應(yīng)用層協(xié)義，稱(chēng)為PROFIBUS-FMS，它提供強(qiáng)有力的通信功能。第

4、三部分定義了DP協(xié)議，用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)的，其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。第四部分為PA協(xié)議，用于安全性較高的場(chǎng)合。 PROFIBUS上連接著的每一總線設(shè)備在用戶接口中存在著GSD(設(shè)備性能描述文件)，用于描述設(shè)備所具有的不同性能特征，包括如I/O數(shù)量、診斷信息以及總線參數(shù)等，以達(dá)到即插即用。 與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。市場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)，在德國(guó)和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS占開(kāi)放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)份額超過(guò)40%。不久前PROFIBUS國(guó)際組織宣布，截止2003年底，

5、工廠和過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)所安裝的PROFIBUS設(shè)備已經(jīng)歷史性地突破了一千萬(wàn)套，比其它任何現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案都高出許多。2.2 PROFIBUS在電廠的應(yīng)用 早在九十年代末，就有報(bào)道現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在美國(guó)、墨西哥、巴西等國(guó)家的電廠中得到應(yīng)用。西門(mén)子作為全球工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的供貨商，在電站自動(dòng)化設(shè)備方面一直致力于支持ROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的技術(shù)和設(shè)備的開(kāi)發(fā)，其產(chǎn)品和解決方案幾乎應(yīng)用于所有工業(yè)行業(yè)當(dāng)作。其它眾多電力設(shè)備廠商也提供了對(duì)PROFIBUS的支持。在國(guó)內(nèi)，PROFIBUS技術(shù)從2000年開(kāi)始已成功應(yīng)用于電站的輔機(jī)程控中，例如在四川廠安電廠輔機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制全部采用了PRO

6、FIBUS技術(shù)，得到了用戶的高度評(píng)價(jià)1。在連云港新海發(fā)電廠在200 MW 12號(hào)機(jī)組的DCS改造工程中，采用了南京西門(mén)子公司的DCS，增加 PROFIBUS-DP接口，直接控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，也并取得成功2。三、寧電工程分散控制系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)概貌 浙江國(guó)華寧海發(fā)電廠一期工程建設(shè)四臺(tái)亞臨界600MW燃煤發(fā)電機(jī)組，三大主機(jī)由上海電氣集團(tuán)提供。采用四機(jī)一控的集控方案，DCS采用南京西門(mén)子電站自動(dòng)化有限公司的Teleperm-XP系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已有多套投入運(yùn)行。如圖1所示，系統(tǒng)采用電廠總線、終端總線兩級(jí)總線結(jié)構(gòu)，通信介質(zhì)為光纖。分為3個(gè)信息級(jí)：(1) 自動(dòng)控制級(jí)，自動(dòng)控制單元AS620掛于電廠總線工業(yè)

7、以太網(wǎng)上，用以實(shí)現(xiàn)過(guò)程任務(wù)的控制；(2) 過(guò)程級(jí)，包括組控制和單獨(dú)控制,信息處理單元(PU)和信息服務(wù)單元（SU）位于電廠總線與終端總線之間，用以處理、協(xié)調(diào)和儲(chǔ)存來(lái)自底層的自動(dòng)控制級(jí)及上層操作員級(jí)的信息；(3) 操作監(jiān)視級(jí)：操作員終端(OT)以及廠級(jí)信息系統(tǒng)接 口與終端總線相連。兩級(jí)總線網(wǎng)通過(guò)星型耦合器監(jiān)視模件中的開(kāi)斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)。 AS620自動(dòng)控制單元是T-XP與過(guò)程的界面。它被用來(lái)采集從現(xiàn)場(chǎng)儀表送出的模擬量及開(kāi)關(guān)量過(guò)程信息。AS620根據(jù)這些信息做相應(yīng)的開(kāi)閉環(huán)控制算法處理，再輸出操作指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)、閥門(mén)等）。它的核心是自動(dòng)處理器AP。AP硬件的基礎(chǔ)在于強(qiáng)有力的SIMATIC中

8、央處理單元。3.2 總線通訊以及系統(tǒng)互連技術(shù) 總線系統(tǒng)分為各自冗余的SINEC HI FO工廠總線和終端總線，采用星形耦合器通過(guò)光纖電纜連接構(gòu)成虛擬環(huán)型結(jié)構(gòu)，其通訊速度為100Mbps。最大為1024個(gè)子站，單環(huán)光纜總長(zhǎng)最大為4.3Km，可用率高、通訊速度快、容錯(cuò)性好。 所有互連的T-XP組件使用統(tǒng)一的通訊機(jī)理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并采用統(tǒng)一的時(shí)鐘，以保持同步。SIMATIC NET總線由電廠總線和終端總線組成，電廠總線用于AS620、OM650、ES680之間的通訊；終端總線用于PU/SU和OT之間的通訊。 T-XP有多種接口模塊用于內(nèi)部系統(tǒng)之間以及和外部系統(tǒng)的互連，其中，IM308-B/C接口模件用

9、于分布式I/O站ET200與AP之間相連。采用基于PROFIBUS-DP的SINEC L2 DP總線系統(tǒng)，一個(gè)PROFIBUS-DP總線鏈可以鏈接多達(dá)8個(gè)IM318-B/C 模塊。ET200站通過(guò)接口模件IM153/ IM318成為PROFIBUS總線系統(tǒng)的DP從站，多個(gè)接口模件可構(gòu)成冗余配置，形成與DCS的無(wú)縫鏈接。PROFIBUS總線可以是雙芯電纜或光纖。四、PROFIBUS-DP在寧海電廠的應(yīng)用 PROFIBUS總線技術(shù)在寧海電廠的應(yīng)用分為2種情況，一種是簡(jiǎn)單地采用PROFIBUS總線通訊，通過(guò)T-XP系統(tǒng)的PROFIBUS接口模件，將遠(yuǎn)程I/O站或者其它系統(tǒng)無(wú)縫納入DCS；由于就地設(shè)備

10、未能完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，這樣的系統(tǒng)只能稱(chēng)為數(shù)字化DCS的一種形式。另外一種方式是在外圍或者相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)到設(shè)備級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制。下面分別以DEH和閉式循環(huán)水系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。4.1 采用PROFIBUS-DP總線的系統(tǒng)互連 本工程汽輪機(jī)組采用了由西門(mén)子公司提供的純電調(diào)和高壓抗燃油液壓伺服系統(tǒng)組成的數(shù)字式電液控制系統(tǒng)，主機(jī)型號(hào)為AS417H。由于汽輪機(jī)控制的快速性，DEH需要10ms左右的控制周期，而PROFIBUS-DP適合于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速通信連接，能滿足快速控制的需要。DEH與DCS的連接如圖2所示。 DEH控制系統(tǒng)I/O接口是AddFEM模塊，其它信號(hào)采集

11、采用其它遠(yuǎn)程I/O站掛在PROFIBUS總線上。AddFEM模塊是專(zhuān)用于汽輪機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集處理模塊，屬于西門(mén)子Add7系列，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，信號(hào)采集周期快達(dá)1ms，以適應(yīng)汽輪機(jī)控制中對(duì)各種信號(hào)的快速采集與處理，其總線地址通過(guò)面板上的發(fā)光二極管設(shè)置。整個(gè)汽機(jī)控制回路周期為6ms。 為了提高可靠性，主機(jī)AS417的CPU、PROFIBUS總線和AddFEM模塊都采用雙冗余，2個(gè)AP通過(guò)機(jī)柜總線通訊。所有進(jìn)入控制和保護(hù)系統(tǒng)的重要模擬量(轉(zhuǎn)速、功率、壓力等)三重冗余，重要開(kāi)關(guān)量三重或雙重冗余。冗余信號(hào)分別進(jìn)入不同的AddFEM模塊，2個(gè)AP并行地進(jìn)行處理，但是只有主AP輸出控制信號(hào)。4.2 閉式循環(huán)水

12、的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)4.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 閉式水系統(tǒng)就地設(shè)備分布廣，就地的控制相對(duì)又簡(jiǎn)單，適于發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為此我們?cè)陂]式水系統(tǒng)控制中采用了現(xiàn)場(chǎng)總線方案，如圖3所示。單元機(jī)組開(kāi)閉式水系統(tǒng)約有34個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備（智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)），分成兩個(gè)不同區(qū)域。 為了提高安全性可靠性，總線光纖、作為總線上的第一類(lèi)DP主站的AP和相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置也都采用了冗余結(jié)構(gòu)。AP以及其接口模塊IM308C和2臺(tái)光電轉(zhuǎn)換裝置置于電子室DCS的機(jī)柜中，就地另外有總線I/O柜，內(nèi)含2臺(tái)光電轉(zhuǎn)換裝置，置于汽機(jī)房零米層。4.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用原裝進(jìn)口德國(guó)歐瑪公司的產(chǎn)品一體化智能型產(chǎn)品AUMA MATIC

13、，帶有雙通道PROFIBUS-DP冗余總線接口，作為DP從站掛在總線上。開(kāi)關(guān)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以接受開(kāi)、關(guān)、停數(shù)字量控制信號(hào)。本體配置手輪和手自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)以及開(kāi)、關(guān)按鈕，并有相應(yīng)的位置指示燈，以實(shí)現(xiàn)就地操作。4.2.3 系統(tǒng)組態(tài)與運(yùn)行 DP主站的AP中的IM308C模件具有用于通信的CPU和存儲(chǔ)單元FLASHROM（快速可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器），PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖及相應(yīng)的用戶通信程序可灌入該模件的FLASHROM中。當(dāng)IM308C啟動(dòng)時(shí)，將運(yùn)行于FLASHROM中的用戶程序建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)AUMA電動(dòng)門(mén)芯片上地址（設(shè)備編號(hào)）的辨認(rèn)建立網(wǎng)絡(luò)連接，而后根據(jù)電動(dòng)門(mén)廠家提供的GSD(設(shè)

14、備性能描述文件)中讀 取的參數(shù)，最終識(shí)別出該設(shè)備，從而讀取來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信息，并發(fā)送命令至該設(shè)備。每臺(tái)AUMA作為總線上的單獨(dú)從站，其總線地址通過(guò)設(shè)備上的LED(發(fā)光二極管)分別輸入。在就地AUMA的面板上，可以設(shè)置與閥門(mén)有關(guān)的參數(shù)。一部分與控制相關(guān)的參數(shù)存儲(chǔ)在AP中，并可以通過(guò)工程師站修改，即直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線修改閥門(mén)參數(shù)。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS的通信，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)/關(guān)反饋、設(shè)備故障等一些情況就可得以基本反應(yīng)，操作員在集控室中，遠(yuǎn)方對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)運(yùn)算功能以及與其它設(shè)備間連鎖等開(kāi)環(huán)運(yùn)算功能，在主站AP中以10（？）ms為周期進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為數(shù)字量直接傳至AUMA中的

15、PROFIBUS-DP接口，對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。五、應(yīng)用體會(huì) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)在新建和改造電廠中的得到大量應(yīng)用，但是在新建國(guó)產(chǎn)600MW大型電站工程中的一定規(guī)模的運(yùn)用還未見(jiàn)報(bào)道，寧電工程在這方面邁出創(chuàng)新的一步。通過(guò)工程實(shí)施，我們有如下體會(huì)供借鑒： (1) 現(xiàn)場(chǎng)總線的安全性問(wèn)題一直受到關(guān)注。采用現(xiàn)場(chǎng)總線后，取消了大量的控制電纜，現(xiàn)場(chǎng)總線的保護(hù)措施可以提高，降低了故障率，所以現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)不采用冗余方式是可以接受的。但是，總線上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)故障而封鎖總線時(shí)，將影響總線大部分設(shè)備的工作。由于對(duì)可靠性和安全性的要求，我們采用了AP和雙總線的冗余配置，這在一定程度上抵消了現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省布線的優(yōu)點(diǎn)，增加了

16、工程造價(jià)。今后結(jié)合電廠的實(shí)際情況，采取什么樣的冗余方案，值得探討。 (2) 由于原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中，危險(xiǎn)已經(jīng)完全分散，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的故障只影響到本身或相關(guān)的少量智能設(shè)備，其影響范圍遠(yuǎn)低于DCS冗余控制器故障的波及面，就地智能儀表的功能塊設(shè)計(jì)可保證故障時(shí)相關(guān)智能設(shè)備置于安全位，因此每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表CPU不冗余是完全可行的。 (3) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有一個(gè)重要特征，就是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。主要含意就是在智能現(xiàn)場(chǎng)裝置中植入控制模塊，使其具備控制器功能。但是目前用于電站的具有這樣功能的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可選品種很少，限制了現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在電站工程中進(jìn)一步的應(yīng)用。進(jìn)一步地，如何用智能現(xiàn)場(chǎng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能組級(jí)及協(xié)調(diào)級(jí)控制，還需要研究和實(shí)踐的探討。 (4) 以智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，若能把管理自動(dòng)化和遠(yuǎn)程診斷功能納入系統(tǒng)，更能發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)。但是